數(shù)字式電氣閥門定位器簡(jiǎn)介及技術(shù)比較

1、數(shù)字式電氣閥門定位器簡(jiǎn)介及技術(shù)比較1 閥門定位器閥門定位器是控制閥的重要附屬裝置，實(shí)質(zhì)上是 一個(gè)定值控制的閉合回路，它與氣動(dòng)執(zhí)行器配套使用，可以改善控制閥的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性、克服閥桿的摩擦力和消除不平衡力的影響，實(shí)現(xiàn)控制閥根據(jù)控制信號(hào)的準(zhǔn)確定位，最終保證控制系統(tǒng)及工業(yè)過(guò)程有效運(yùn)行。閥門定位器適用于： · 摩擦力大，需要精確定位的場(chǎng)合； · 緩慢過(guò)程需要提高控制閥響應(yīng)速度的場(chǎng)合； · 需要提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力和切斷能力的場(chǎng)合； · 分程控制和控制閥運(yùn)行中有時(shí)需要改變正反作用形式的場(chǎng)合 · 需要改變控制閥流量特性的場(chǎng)合； · 高壓差的場(chǎng)合

2、 按照閥門定位器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工作原理可分類為： 1.氣動(dòng)閥門定位器 2.電氣閥門定位器 3.數(shù)字式電氣閥門定位器（也稱為智能電氣閥門定位器smart positioner）數(shù)字式電氣閥門定位器是采用微處理技術(shù)和功能模塊的新一代高性能電氣閥門定位器，具有自校準(zhǔn)自適應(yīng)自診斷功能和免維護(hù)運(yùn)行，也分帶通信類型（HART、Profibus-PA、FF）和不帶通信類型。閥門定位器的生產(chǎn)廠商很多，系列/型號(hào)繁雜，但能提供高性能數(shù)字式電氣閥門定位器的還不多，目前主要有：samson的378x型373x系列、Fisher的DVC2000/DVC5000/DVC6000、Foxboro-Eckardt的SRD960

3、/991、Siemens的SIPART PS2、Masoneilan的SNI II、ABB（H&B）的TZID-C、Metso Neles的ND9000、Yamatake的SVP3000、Yokogawa的FVP、Keystone的EPP100/200、Burkert的8635/1067、等等，部分廠商的數(shù)字式電氣閥門定位器外觀見圖1。 2 SAMSON閥門定位器德國(guó)SAMSON公司是1907年成立的全球知名控制閥及控制設(shè)備專業(yè)制造商，設(shè)計(jì)生產(chǎn)有品種齊全的控制閥及控制儀表，同時(shí)生產(chǎn)高性能的全系列閥門定位器。1952年生產(chǎn)出歐洲第一臺(tái)氣動(dòng)閥門定位器，1989年推出數(shù)字式電氣閥門定位器，目

4、前更是全球數(shù)字式電氣閥門定位器的領(lǐng)軍廠商。 Samson設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 全系列閥門定位器有： （1）數(shù)字式電氣閥門定位器 · 420mA不帶通信3730-1型，微處理器、LCD顯示和單鍵式操作，符合IEC 65108/SIL 4；3730-2型，微處理器、LCD顯示和單鍵式操作、本機(jī)自診斷，符合IEC 65108/SIL 4。 · 420mA帶HART通信3730-3型，微處理器、LCD顯示和單鍵式操作、本機(jī)自診斷，符合IEC 65108/SIL 4；3731-3型，隔爆，微處理器、LCD顯示和單鍵式操作、本機(jī)自診斷，符合IEC 65108/SIL 4；3780型，微處理器。

5、· 420mA帶HART通信用于ESD緊急停車系統(tǒng)3730-3 ESD型，微處理器、LCD顯示和單鍵式操作、本機(jī)自診斷，符合IEC 65108/SIL 4。 · Profibus-PA現(xiàn)場(chǎng)總線通信3730-4型，微處理器、LCD顯示和單鍵式操作、本機(jī)自診斷，符合IEC 65108/SIL 4；3731-4型，隔爆，微處理器、LCD顯示和單鍵式操作、本機(jī)自診斷，符合IEC 65108/SIL 4；3785型，微處理器。 · FF基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線通信3730-5型，微處理器、LCD顯示和單鍵式操作、本機(jī)自診斷，符合IEC 65108/SIL 4；3731-5型，隔爆，微

6、處理器、LCD顯示和單鍵式操作、本機(jī)自診斷，符合IEC 65108/SIL 4；3787型，微處理器。 （2）電氣閥門定位器（模擬式） · 420mA3730-0型，DIP開關(guān)設(shè)定、電子控制電路；3760型，集成安裝方式、低功耗I/P、機(jī)械力平衡；3767型，集成安裝方式，集成低功耗電磁閥、閥位開關(guān)、低功耗I/P、機(jī)械力平衡；4763型，IEC 60534-6-1/6-2安裝方式、低功耗I/P、機(jī)械力平衡。 （3）氣動(dòng)閥門定位器 · 20100kPa（0.21.0bar）3760型、3766型、4765型，用于直行程氣動(dòng)執(zhí)行器、機(jī)械力平衡3761型，用于角行程氣動(dòng)執(zhí)行器、機(jī)

7、械力平衡。其中最新的373x系列數(shù)字式電氣閥門定位器集成了先進(jìn)的微處理技術(shù)、信息技術(shù)、診斷軟件和功能模塊，獨(dú)特的數(shù)字/模擬電路控制定位和氣動(dòng)放大器清掃功能，單鍵旋鈕組態(tài)操作，LCD顯示（含本機(jī)診斷），多種總線連接通信和SAMSON SSP串行接口，還可通過(guò)控制系統(tǒng)、PC機(jī)（DD、DTM工具、AMS、PDM、PRM系統(tǒng)和SAMSON TROVIS-VIEW）或手持式終端設(shè)備進(jìn)行組態(tài)和診斷。配有軟件閥位開關(guān)和故障輸出接點(diǎn)，可內(nèi)置集成低功耗電磁閥、接近開關(guān)式閥位開關(guān)、閥位變送器。符合ATEX、FM、CSA標(biāo)準(zhǔn)，有本安、隔爆類型；滿足IEC 65108/SIL 1/2/4，防護(hù)等級(jí)為IP66。可集成安

8、裝或按IEC 60534-6-1/6-2安裝，尺寸小巧、重量輕，耗氣量小。該系列能夠滿足所有工業(yè)過(guò)程控制要求和配用各種不同的控制閥，這在業(yè)內(nèi)目前是極少有的。 圖2為373x系列數(shù)字式電氣閥門定位器的功能原理圖，圖3是其顯示和使用操作。從圖2、圖3中可看到，該系列數(shù)字式電氣閥門定位器特點(diǎn)的是：微處理器(5)主要進(jìn)行信息處理和自診斷，因而LCD顯示內(nèi)容多信息量大、本機(jī)診斷功能強(qiáng)、多種通信可用。單鍵旋鈕調(diào)用菜單組態(tài)操作，多種初始化方式，LCD讀數(shù)方向可組態(tài)設(shè)置翻轉(zhuǎn)180O。 閥門定位使用模擬電子控制電路(3)，直接引入閥位反饋電信號(hào)、PD算法、響應(yīng)快而且平滑，減小微處理器掃描周期對(duì)控制的影響。 采用

9、高精度低耗氣的電氣轉(zhuǎn)換器(6)，并有氣動(dòng)定值器（8,微型自力式閥）保障電氣轉(zhuǎn)換器的氣源不受閥門定位器不同氣源壓力的影響。也避免由于采用壓電閥造成動(dòng)作頻次高、氣動(dòng)輸出脈動(dòng)等問(wèn)題。 氣動(dòng)功率輸出采用傳統(tǒng)的氣動(dòng)放大器(7)，穩(wěn)定可靠。輸出氣路上設(shè)有輸出氣量調(diào)整(10)，可適應(yīng)不同尺寸的氣動(dòng)執(zhí)行器。還設(shè)計(jì)有微流量定值器(9)，使氣動(dòng)放大器總保持一定的氣量流動(dòng)，排到閥門定位器殼內(nèi)，即可使氣動(dòng)放大器響應(yīng)快和氣路清潔，還可使閥門定位器殼內(nèi)有一點(diǎn)點(diǎn)正壓有利于防護(hù)。圖1（部分廠商的數(shù)字式電氣閥門定位器外觀圖）設(shè)計(jì)有一個(gè)故障報(bào)警輸出接點(diǎn)和兩個(gè)軟件閥位開關(guān)數(shù)字輸出?？蛇x配集成低功耗電磁閥(12)、接近開關(guān)型閥位開關(guān)

10、(11)及二線制閥位變送器(13)。 除可選用于HART、Profibus-PA、FF的接口模塊外，本機(jī)還配有Samson SSP串行接口連接PC機(jī)。 Samson 373x系列數(shù)字式電氣閥門定位器本機(jī)集成有標(biāo)準(zhǔn)版EXPERT自診斷軟件（或選購(gòu) 增強(qiáng)版EXPERT+），除在本機(jī)用圖形符號(hào)和代碼進(jìn)行自診斷顯示外，可使用Samson TROVIS-VIEW軟件和DD、DTM工具或應(yīng)用到AMS（資產(chǎn)管理系統(tǒng)）、PDM（過(guò)程設(shè)備管理）、PRM（工廠資源管理）系統(tǒng)中。 標(biāo)準(zhǔn)版EXPERT在線自診斷： ·運(yùn)行時(shí)間計(jì)時(shí) ·過(guò)程參數(shù)趨勢(shì)圖（行程x、輸入控制信號(hào)即給定值w、偏差e、輸出控制信

11、號(hào)y） ·硬件和存儲(chǔ)器的安全監(jiān)視功能 ·行程傳感器監(jiān)視 ·初始化次數(shù)和零點(diǎn)校準(zhǔn)次數(shù) ·內(nèi)置溫度傳感器的溫度測(cè)量 ·最近的30次報(bào)警 ·行程累積 ·啟動(dòng)監(jiān)視 ·零點(diǎn)和控制回路監(jiān)視報(bào)警 增強(qiáng)版EXPERT+自診斷在標(biāo)準(zhǔn)版基礎(chǔ)上增加在線過(guò)程參數(shù)記錄日志（自動(dòng)信息采集，在閥門定位器中存儲(chǔ)100個(gè)x、w、e、y值）、行程x和偏差e的短期和長(zhǎng)期柱形圖、輸出控制信號(hào)y的短期和長(zhǎng)期信號(hào)圖表、行程方向改變次數(shù)統(tǒng)計(jì)和分析、終端閥位和摩擦力的監(jiān)視，等；并可在離線狀態(tài)進(jìn)行靜特性測(cè)試、階躍信號(hào)測(cè)試、全行程回差測(cè)試，等。 強(qiáng)大的自診斷能力向用

12、戶提供了閥門定位器及控制閥的運(yùn)行狀態(tài)、詳細(xì)信息、事件鑒別和維護(hù)指導(dǎo)。圖4為在Samson TROVIS-VIEW上的當(dāng)前過(guò)程數(shù)據(jù)顯示畫面。圖5為行程柱形圖。表1是閥門定位器狀態(tài)在本機(jī)和工程工具軟件上的顯示說(shuō)明（本機(jī)還用代碼來(lái)進(jìn)行自診斷顯示）。 3 數(shù)字式電氣閥門定位器部分技術(shù)比較不同廠商的數(shù)字式電氣閥門定位器設(shè)計(jì)上都基于自校準(zhǔn)自適應(yīng)自診斷功及免維護(hù)運(yùn)行，并考慮適應(yīng)各種通信類型（HART、Profibus-PA、FF）和集成各種工程工具軟件。根據(jù)廠商部分型號(hào)樣本手冊(cè)上的技術(shù)性能數(shù)據(jù)匯總于表2，可從這些數(shù)據(jù)看出共性和差異。除此之外，以下就其幾點(diǎn)做初 步分析比較。 （1）定位控制和氣動(dòng)部分 數(shù)字式電

13、氣閥門定位器的定位控制是定值控制回路，輸入控制信號(hào)為給定值，閥位（行程）信號(hào)為反饋值，最終輸出氣動(dòng)信號(hào)給氣動(dòng)執(zhí)行器。多數(shù)設(shè)計(jì)為數(shù)字PID控制，即由微處理器完成定位控制。輸入需A/D轉(zhuǎn)換或由通信模塊接入，或直接數(shù)字輸出或經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換。Samson 373x系列則是數(shù)字和模擬結(jié)合的定位控制電路，微處理器主要用于信息處理和自診斷，輸入控制信號(hào)經(jīng)A/D（或通信模塊）、微處理器、D/A加到模擬PD控制電路，而閥位反饋信號(hào)直接采集，兩個(gè)信號(hào)經(jīng)PD控制電路比較后按一定運(yùn)算規(guī)律輸出一個(gè)電流控制信號(hào)給電氣轉(zhuǎn)換器。采用模擬控制電路實(shí)現(xiàn)定位控制，主要考慮控制的及時(shí)、平滑，以及減少微處理器的任務(wù)負(fù)荷而加強(qiáng)信息處理。數(shù)

14、字式電氣閥門定位器的氣動(dòng)部分主要有壓電閥和I/P電氣轉(zhuǎn)換器加氣動(dòng)放大器類型。壓電閥方式便于數(shù)字控制，且體積小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，代表產(chǎn)品為Siemens SIPART PS2。初期使用時(shí)，普遍感覺效果較好，運(yùn)行一段時(shí)間或在控制信號(hào)急劇波動(dòng)時(shí)，壓電閥易出現(xiàn)控制不穩(wěn)定、氣動(dòng)輸出波動(dòng)，甚至損壞失靈。這是因?yàn)閴弘婇y使用數(shù)字信號(hào)、開關(guān)動(dòng)作，一個(gè)壓電閥控制氣源進(jìn)氣口，一個(gè)壓電閥控制輸出氣路排氣口，雖然有PWM脈寬調(diào)制技術(shù)調(diào)整動(dòng)作脈沖，但定位時(shí)交替動(dòng)作還較頻繁。再就是氣源直接加到壓電閥，開關(guān)動(dòng)作瞬間對(duì)小閥芯沖擊力較大，易造成關(guān)閉不嚴(yán)。氣源質(zhì)量不好時(shí)，對(duì)壓電閥影響也很大。理論上壓電閥在靜態(tài)時(shí)不耗氣，但在使用中壓電閥關(guān)閉

15、保持不動(dòng)作的幾率很小。表2. 電氣轉(zhuǎn)換器氣動(dòng)放大器方式被多數(shù)廠家采用，設(shè)計(jì)、技術(shù)各有不同。Samson早期的378x型是采用壓電閥技術(shù)，近年推出的373x系列則采用電氣轉(zhuǎn)換器（I/P）氣動(dòng)放大器。373x系列的電氣轉(zhuǎn)換器具有高精度低耗氣，閥門定位器并設(shè)計(jì)有一個(gè)氣動(dòng)定值器輔助恒定電氣轉(zhuǎn)換器的供氣壓力，不受氣源壓力不同的影響，也使靜態(tài)耗氣量（110標(biāo) 升/小時(shí)）與氣源壓力無(wú)關(guān)，而其它廠商閥門定位器的靜態(tài)耗氣量都隨氣源壓力不同而改變。電氣轉(zhuǎn)換器以毫安電流轉(zhuǎn)換的氣信號(hào)也較平滑，避免氣壓脈動(dòng)。而傳統(tǒng)的氣動(dòng)放大器技術(shù)成熟，穩(wěn)定可靠。這樣設(shè)計(jì)可以使閥門定位器氣動(dòng)輸出性能好、提升了可靠性和延長(zhǎng)其生命周期。 （

16、2）本機(jī)顯示、組態(tài)和通信功能 早期的數(shù)字式電氣閥門定位器設(shè)計(jì)只考慮了通信功能，沒有本機(jī)顯示和組態(tài)功能，如FISHER的DVC6000、Yamatake的SVP3000，只能依靠PC或現(xiàn)場(chǎng)通信器來(lái)組態(tài)、查看和故障診斷。 可通過(guò)圖6比較看出，Samson 373x系列本機(jī)顯示的LCD較其它廠家的2行、4行LCD，信息量更大，可視性更好。在LCD上有醒目的行程顯示，同時(shí)顯示單位及棒圖形式的定位偏差顯示，還有圖形的自動(dòng)/手動(dòng)狀態(tài)、故障顯示、維護(hù)信息、閥位開關(guān)狀態(tài)、單位顯示、代碼顯示、組態(tài)顯示、安全動(dòng)作顯示，等。 對(duì)于通信功能，各廠商產(chǎn)品都盡量滿足不同通信協(xié)議的要求。Samson 373x系列設(shè)計(jì)有配有

17、不同模塊分別用于HART（373x-3型）、Profibus-PA（3730-4型）、FF（373x-5型）通信的型號(hào)，還配有Samson SSP串行接口連接PC機(jī)及應(yīng)用Samson TROVIS-VIEW軟件。無(wú)論是現(xiàn)場(chǎng)本機(jī)還是遠(yuǎn)程系統(tǒng)，其自診斷、組態(tài)、監(jiān)控都非常方便。 373x系列本機(jī)組態(tài)使用單鍵旋鈕，調(diào)用單層菜單組態(tài)，三種主要初始化模式（MAX、NOM、MAN）簡(jiǎn)單快捷。還有在線更換定位器的Sub替代初始化模式。相對(duì)來(lái)說(shuō)，其它廠家使用的按鍵較多，Siemens SIPART PS2和Foxboro Eckardt SRD991用三個(gè)按鍵、metso-neles ND9000用四個(gè)按鍵，再

18、加上多重菜單，使用起來(lái)略有不便。在顯示語(yǔ)言方面，F(xiàn)isher DVC600、Siemens SIPART PS2、Foxboro Eckardt SRD991都是多語(yǔ)種并有中文顯示，而Samson 373x系列以圖形符號(hào)和代碼為主，也有部分英文縮寫顯示。 3）價(jià)格 選購(gòu)數(shù)字式電氣閥門定位器時(shí)應(yīng)考慮實(shí)用性和性能價(jià)格比，更多用戶對(duì)價(jià)格比較關(guān)注。相對(duì)來(lái)說(shuō)，Samson 373x系列性能價(jià)格比高，則價(jià)格也偏高。以HART通信/本安防爆型（無(wú)安裝件）舉例：Samson 3730-3型約9000RMB、Fisher DVC6000約8000RMB、Siemens SIPART PS2約6500RMB。此外，安裝件獨(dú)立報(bào)價(jià)且偏高，也使整體 價(jià)格更高。 各種數(shù)字式電氣閥門定位器的技術(shù)細(xì)節(jié)上和使用效果上有很大差異，加之?dāng)?shù)字式電氣閥門定位器推出時(shí)間不長(zhǎng)、技術(shù)更新也快，若不進(jìn)行深入解析，此時(shí)價(jià)格就是主導(dǎo)因素了。4 結(jié)束語(yǔ)閥門定位器的數(shù)字化智能化已是發(fā)展方向，氣動(dòng)控制閥配有數(shù)字式電氣閥門定位器進(jìn)行性能數(shù)字化整合后，解決了終端控制元件（控制閥）性能長(zhǎng)期落后于控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)儀表的難題，尤其是功能強(qiáng)大的自診斷技術(shù)維持和提升了控制閥性能，使控制系統(tǒng)和工業(yè)過(guò)程更加有效，使控制閥更加可靠更能滿足過(guò)程控制的